研究蛇形复合抛物面太阳能集热器实验

摘要：对蛇形复合抛物面太阳能集热器的性能进行实验研究，结果表明：当抛物槽开口宽度保持不变时，接收器管径增大对提高集热效率作用不大；接收器发射比越小，集热器热性能越高，提高集热器集热效率需要考虑改进选择性吸收涂层性能以减小接收器发射比；集热器瞬时集热效率随着流体流速的增大而逐步缓慢增大，但进出口水温升降低幅度很大，因此应根据实际运行目的来确定集热器的流体流速，其合理取值范围为0.2m/s-0.4m/s。 　　0引言 　　太阳能集热器是太阳能热利用系统的关键部件，它用来收集太阳辐射将产生的热能传给传热工质。聚焦型集热器是由聚光器以反射或折射的方式将投射到光孔上的太阳光线集中到接收器上形成焦面，接收器将光能转换为热能，再由介质带走。虽然一定程度上能提高集热器的供热温度，但它不能收集占太阳光总辐射20%～40%的漫射辐射；对于小聚光比的系统，也存在如何研究与制造的聚光系统问题。 　　复合抛物面聚光（CPC）集热器是聚焦型集热器的一种，应用最为广泛，它应用了CPC聚光技术和热管技术，既能提高集热效率，又可避免一般集热器的防冻和结垢问题。韩国学者对CPC热管型真空管集热器进行研究，得出无跟踪与有跟踪的能流密度和出口温度对集热器影响；巴西学者研究了楔形CPC集热器不同聚光比平均反射比对最大接收角的接收情况；我国清华大学的李臻等人利用光线追踪法，结合辐射度算法定量计算了CPC反射面的漫反射和太阳光的散射分量对集热器光学性能的直接影响；西安交通大学任云锋等人将CPC和热管平板式集热器相结合，研究了一种以平面形吸热板为接收器的热管式太阳能集热器，结果表明悦孕悦型热管式太阳能集热器水温优势更明显，有专家对内聚光型热管式太阳能集热器进行研究，建立集热器的总热损系数和效率的数学模型，并进行了实验验证。 　　目前，国内对CPC集热器的研究力度不断加大，但从文献上看，大部分研究是针对CPC型集热器理论分析方面，实验研究及具体应用方面的成果较少。对于蛇形管复合抛物面聚光集热器国内外研究更少，本文结合实验系统对其性能进行研究。 　　1集热器整体结构 　　蛇形复合抛物面集热器主要由复合抛物面聚光器、接收器、真空玻璃盖板和边框等支撑结构组成，前两个部分构成了集热器的集热和吸热部分，透明玻璃盖板主要起到减小集热器热损失的作用，边框支撑结构主要起支撑和保护作用。聚光器的基板取不锈钢镜面板，厚度1.2mm反射比0.8，透明盖板为双层真空玻璃盖板。蛇形复合抛物面集热器的结构如图1.图2所示。蛇形复合抛物面集热器聚光器和接收器组成的集热单元按照蛇形布置，集热单元的直管部分水平放置，两管端头连接处采用同管径半圆弧连接。在每个半圆弧管段上设置固定支撑装置。蛇形复合抛物面集热器表面为双层抽真空玻璃盖板，可以减少收集热量的辐射和对流损失。集热器主要由铁皮材料支撑框架支撑，以承担全部质量。除正对太阳的集热器平面，其余各面为集热器的绝热支撑结构面，采用铁皮作为外保护层。外保护层与集热部件之间加装聚氨酯保温材料，最大限度地减少热量散失。 　　2实验系统 　　蛇形复合抛物面集热系统由蛇形复合抛物面集热器、水箱、水泵及管路阀门组成，系统原理见图3。 　　蛇形复合抛物面集热器共有17个集热单元，聚光器由装饰不锈钢制成，蛇形盘管接收器采用薄壁铜管制成，表面涂有选择性吸收涂层。集热器的有效采光面积为1.53m2，实际面积为2.28m2，正南向东西放置，采光面与水平面成40°。为研究集热器沿水流方向的温度分布情况，在铜管管壁表面布置热电偶温度传感器，顺水流方向每间隔2m布置1个温度测点，同时进出口管壁温度布置2个测点，进出口水温布置2个测点，共布置13个测点，测点布置见图4。 　　实验设备如下： 　　1. 水箱 　　集热系统设置A，B 两个电加热水箱，水箱设有温控装置，功率6kW，控制精度±0.5℃，容积0.25m2。水箱外表面采用挤塑板保温。 　　为了循环用水，系统采用两个水箱交替运行。测试一个工况时，尽量保证从一个水箱取水。取连续数个晴天工况，每天测试时进口温度保持某一固定值，对不同进口温度的工况进行实验测试。由于室外气象参数变化（风速、太阳辐射等）导致所测试的瞬时值存在一定波动。 　　3实验结果及讨论 　　3.1接收器管径对集热器性能影响 　　如图5，图6所示，随着接收器管径增大，集热器的瞬时集热效率呈现不断上升趋势，而进出口水温升却逐步降低。由于接收器的热损与其直径二次幂成正比，其体积与直径三次幂成正比，故当温升相同时，大管径接收器比小管径接收器单位体积的热损少，热效率更高，但是对于同一太阳辐射照度而言，管径由10mm增加到20mm时，集热器的瞬时集热效率增加1%。 　　3.2接收器发射比对集热器性能影响 　　如图7，图8所示，在某一太阳辐射照度下，随着接收器发射比着则增大，接收器对盖板的辐射换热增强，接收器管壁温度降低，与空气之间的对流换热减弱，同时，盖板温度升高导致对外热损失增强，因此集热器进出口水温升、瞬时集热效率随之降低。当太阳辐射照度为840W/m2时，集热器进出口水温升，瞬时集热效率分别从13.3℃、60.8%降低到12.9℃、59.6%，但效率逐渐降低，这是因为随着接收器管壁温度的降低，εr越小，集热器热性能越好：提高集热器的集热效率需要考虑改进选择性吸收涂层的性能。盖板保温作用对提高集热器的热性能非常重要。 　　3.3流速对集热器性能影响 　　如图9所示，集热器进出口水温升随着流体流速的增加而逐步减小，主要因为随着流体进口流速的增加，管内流体到达湍流状态的时间有所缩短。真空管获得的加热能量减少，从而流体出口温度降低。如图10所示，瞬时集热效率变化平缓，呈现上升趋势，但由于流速较大，有些热量来不及被流体吸收，因而变化较为平缓。 　　因此，应该综合该集热器的进出口水温升以及瞬时集热效率来确定该集热器运行时的流体流速。 　　4结论 　　4.1当温升相同时，大管径接收器比小管径接收器单位体积的热损少，热效率更高，但是对于同一太阳辐射照度而言，管径由10mm增加到20mm时，集热器的瞬时集热效率增加了1%。综合来看，当抛物槽开口宽度保持不变时，接收器管径的增加对提高集热效率作用不大。 　　4.2集热器的接收器发射比越小，集热器的热性能越好，提高集热器的集热效率可以考虑选择改进选择性吸收涂层的性能，从而减小接收器发射比。 　　4.3集热器的瞬时集热效率随着流体流速的增大而逐步缓慢增加，但进出口水温升降低幅度很大，因此应根据实际运行情况来确定集热器的流体流速，其合理取值范围为0.2～0.4m/s。（天津大学刘树、张欢、由世俊、冯彬、张晓伟）